Главная страница | Контакты | Случайная страница Автомобили Астрономия Биология География Дом и сад Другие языки Другое Информатика История Культура Литература Логика Математика Медицина Металлургия Механика Образование Охрана труда Педагогика Политика Право Психология Религия Риторика Социология Спорт Строительство Технология Туризм Физика Философия Финансы Химия Черчение Экология Экономика Электроника

ХАРЬКОВСКИЙ НАЦИОНАЛЬНИЙ МЕДИЦИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Энергия и мощность лазерного излучения определяются характеристиками активной среды (коэффициентом усиления, пороговой интенсивностью излучения, населенностью уровней) и параметрами резонатора (оптической схемой, геометрическими размерами, коэффициентом пропускания зеркал, уровнем потерь). Наиболее общим подходом, позволяющим оценить эффективность работы резонатора, является определение коэффициента полезного действия резонатора η_р. КПД резонатора характеризует отношение энергии, выведенной из резонатора Е_р, к энергии активной среды Е₀, находящейся в резонаторе, которую в принципе можно преобразовать в излучение:

η_р=Е_р/Е₀=Eр/(Е_ас*η_н), где Е_ас- энергия, затрачиваемая на накачку активной среды, η_н - КПД накачки.

В общем случае баланс энергии в резонаторе характеризуется различными видами потерь.

Рис. 20 - Баланс энергии в резонаторе

Энергия излучения может быть представлена как энергия активной среды за вычетом всех потерь в резонаторе:

Ер=Е₀-ΔЕ_рел-ΔЕ_погл-ΔЕ_рас-ΔЕ_д-ΔЕ_э.

Роль отдельных видов потерь может быть различна в каждом конкретном случае. Обычно η_р = Ер/Ео=0,3…0,7.

МГц

Рис. 22 - Газовый лазер с внешними зеркалами и высокочастотным возбуждением

Длинная цилиндрическая стеклянная трубка с двух сторон закрыта окнами, наклонёнными под углом Бюстера к оси (Закон Брюстера — закон оптики, выражающий связь показателя преломления с таким углом, при котором свет, отражённый от границы раздела, будет полностью поляризованным в плоскости, перпендикулярной плоскости падения, а преломлённый луч частично поляризуется в плоскости падения, причем поляризация преломленного луча достигает наибольшего значения. Легко установить, что в этом случае отраженный и преломленный лучи взаимно перпендикулярны. Соответствующий угол называется углом Брюстера). Световые волны с определённым направлением вектора поляризации проходят через эти окна без отражения. Они падают на внешние зеркала, которые в зависимости от того, какое но величине пятно нужно получить, располагаются либо конфокально, либо на расстоянии, меньшем величины радиуса кривизны зеркал. Диаметр стеклянной трубки должен быть относительно малым, чтобы благодаря диффузии и взаимодействию атомов со стенкой населённость 1s-состояния неона поддерживалась на достаточно низком уровне. Длина трубки обычно составляет ок. 1 м. Внешние зеркала оптического резонатора можно сравнительно просто заменять. Подбором соответствующих зеркал и установкой их на определённом расстоянии друг от друга можно возбуждать колебания на частоте различных линий излучения и, кроме того, получать разную величину пятна.

Разряд в газе возбуждается либо переменным полем высокой частоты, как на рис. 17, либо постоянным током. ВЧ-возбуждение, как правило, производится на частоте 27 МГц. Обычно для этого требуется мощность от 10 до 50 Вт. В тех случаях, когда важное значение имеет равномерное и непрерывное возбуждение, можно использовать постоянный ток. При таком возбуждении необходимо напряжение 2000 В при силе тока 20 мА.

При возбуждении лишь одной частоты обычно выбирают собственное колебание с самыми низкими поперечными индексами собственных колебаний m и n → 0. Cобственные колебания с другими поперечными индексами подавляются уменьшением поперечного сечения луча с помощью диафрагмы. Собственные колебания с высокими индексами испытывают большие дифракционные потери, чем основное колебание, и поэтому при соответствующем диафрагмировании не возбуждаются.

В газовом лазере удается в течение длительного промежутка времени возбуждать лишь единственную частоту. При благоприятных условиях частота поддерживается постоянной с точностью до 50 Гц. Для возбуждения когерентных колебаний в гелий-неоновом лазере обычно используются две линии излучения:

1) Линия с длиной волны 0,6328 мкм, которая первоначально была единственной линией излучения газовых лазеров в видимой области спектра;

2) Линия с длиной волны 1,15 мкм – наиболее сильная линия излучения, которая лежит как раз на пороге чувствительности длинноволновых фотокатодов и может регистрироваться при достаточной чувствительности с хорошим разрешением по времени.

Характеристики гелий-неоновых лазеров

Твердотельные лазеры. Первым твердотельным лазером, который наиболее часто применяется и в настоящее время был лазер с рубином -активным веществом. Специально легированные кристаллы рубина изготовляются так, чтобы добиться высокой оптической однородности. Обычно они имеют диаметр несколько миллиметров и длину несколько сантиметров. Обе торцевые поверхности кристалла шлифуются плоскопараллельно до придания им конфокальной кривизны, а затем на них последовательно наносятся отражательные интерференционные слои. Оптический резонатор может быть образован также с использованием внешних зеркал, которые при необходимости можно заменять.

Возбуждение производится облучением ксеноновой или ртутной лампой. Эти лампы выполняются спиралевидными и обвивают кристалл. Для лучшего использования мощности излучения они помещаются в один из фокусов эллиптического цилиндра с зеркальными внутренними стенками. В другом фокусе располагается рубиновый кристалл. Требуемая мощность накачки настолько велика, что в обычных условиях во избежание нежелательного перегрева работа лазера оказывается возможной только в импульсном режиме. При этом в лампах создаются мощные вспышки энергии накачки при разряде батареи конденсаторов.

В импульсном режиме в зависимости от того, как фокусируется излучение накачки, требуется подводить от 100 до 1000 Вт_*с на 1 импульс. При длительности импульса 1 мс мощность в импульсе составляет 1 кВт. Некоторый недостаток рубинового лазера – худшая по сравнению с газовым когерентность лазерного луча во времени и в пространстве.

ГИГАНТСКИЕ ИМПУЛЬСЫ

Пространственная когерентность по поперечному сечению кристалла нарушается из-за оптической неоднородности. Даже при строго параллельных торцах стержня оптические длины пути между ними на разном удалении от оси кристалла неодинаковы. Вследствие этого возникает одновременные колебания вдоль нескольких тонких «нитей». Эти колебания частично не зависят друг от друга. Поэтому выходное излучение с различных точек на торце стержня не вполне когерентно. Происходит также нарушение пространственной когерентности по длине импульса вследствие локального гашения инверсной населённости.

Временная когерентность лазерного луча, исходящего из определённой области торца, нарушается прежде всего также из-за локального гашения инверсной населённости. За время длительности одного импульса, равное ок. 1 мс, амплитуда лазерного луча меняется. Фактически луч состоит из многих отдельных импульсов длительностью ок. 1 мкс, следующих друг за другом с интервалом ок. 1 мкс. Когда при облучении излучением накачки достигается определённая инверсия населённости и возникают колебания, населённость верхнего лазерного уровня благодоря вынужденному испусканию обедняется быстрее, чем пополняется за счёт излучения накачки. Колебания, в конце концов прекращаются и возобновляются, когда инверсия населённости вновь достигнет определённой величины. С этими представлениями о релаксационных колебаниях в лазерном луче согласуется факт возрастания частоты следования отдельных импульсов при повышении мощности накачки.

Таким образом, гашение инверсной населённости обусловливает не только протекание во времени процесса возникновения и затухания колебаний, но также и перемещение в пространстве плоскости колебаний. Эти процессы чрезвычайно сложны и отличаются значительной нерегулярностью во времени и в пространстве.

Недостаточная пространственная и временная когерентность приводит к уширению спектра выходного излучения рубинового лазера на 6_*10⁹ Гц и увеличивает угол расхождения луча до 2 угловых минут. Если при обычных размерах оптического резонатора возбудить совершенные собственные колебания, этот угол должен быть намного меньше.

Контроль над релаксационными колебаниями достигается модулированием добротности оптического резонатора. Резонатор, как и любая колебательная система, имеет характеристику, называемую добротностью Q. Она показывает, насколько велики потери P в системе, получившей энергию W: Q ~ W / P. Например, колебания маятника с грузиком большого размера затухают быстрее, чем колебания маятника той же массы, но более компактного (из-за большего сопротивления воздуха) — добротность второго маятника выше.

Рис. 23 – Добротность колебательных систем

Добротность оптических резонаторов очень велика — до 10⁷. Это означает, что при каждом отражении от зеркал светового импульса, возникшего в резонаторе, теряется только одна десятимиллионная часть его энергии (для сравнения — добротность колебательного радиоконтура не превышает 10²). Но если во время поступления энергии в среду — работа системы накачки — одно зеркало перекрыть затвором, добротность резонатора упадет до нуля, и энергия станет накапливаться в активной среде. Когда её количество приближается к максимально возможной величине, затвор очень быстро открывается, и вся запасенная энергия высвобождается в виде короткого и мощного импульса излучёния. Такие импульсы получили название „гигантских“, а способ их получения — режим модуляции добротности. Это очень похоже на то, как если бы высокая плотина, за которой медленно накапливается огромное количество воды, вдруг внезапно исчезла. Для реализации такого режима используют оптический резонатор с внешними зеркалами.

Внутри резонатора на пути луча устанавливаются поляризационный фильтр (поляризаторы - вещества, позволяющее выделить из электромагнитной волны часть, обладающую желаемой поляризацией, используются в поляризацио́нных фильтрах) и ячейка Керра (с помощью ячеки Керра устройство можно сделать совершенно прозрачным, либо деформирующим. Это устройство, основанное на эффекте Керра — явлении возникновения под действием электрического поля в оптически изотропных средах двойного лучепреломления. Отличается высоким быстродействием (10⁻⁹ ÷ 10⁻¹² секунды). Состоит из среды с Керроевской нелинейностью (например, сероуглеродом) помещённой между обкладок конденсатора).

При прохождении мощного импульса электрического тока через ячейку оптические свойства среды меняются так, что свет меняет направление поляризации при прохождении ячейки. Подавая на ячейку управляющий импульс, можно менять потери и, следовательно, добротность резонатора. Чтобы возбудить управлемый световой импульс с очень высокой пиковой мощностью, возникновение генерации после начала накачки путём увеличения потерь резонатора задерживается на время, пока инверсия населённости существенно не превысит пороговую величину для нормального режима.

Затем устройство, состоящее из поляризатора и ячеки Керра, очень быстро открывается (рис. 25).

Рис. 25 – Пичковый режим работы лазера (а), результат уменьшения добротности оптической системы – гигантский импульс (б).

Спустя короткое время задержки t_n возникает мощная генерация. Инверсия населённости падает, амплитуда снижается, а инверсия населённости вследствие вынужденного испускания в конце концов полностью исчезает. Модулированием добротности были получены импульсы с пиковой мощностью до 15 МВт при длительности короче 30 нс.

При возбуждении гигантских импульсов спектр выходного излучения близок, а угол раскрытия не намного больше, чем при свободной генерации.

ХАРЬКОВСКИЙ НАЦИОНАЛЬНИЙ МЕДИЦИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ